(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに積層された第１絶縁性基板（A）および第２絶縁性基板（B）と、
上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に形成された第１電極（2b）と、
上記第１絶縁性基板（A）の両面に上記第１電極（2b）と離隔して形成され、上記第１絶縁性基板（A）の厚さ方向に延びるスルーホール（7）によって互いに接続された一対の第２電極（3c,4c）と、
上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に上記第１電極（2b）と上記第２電極（3c）とに接するように薄膜形成された第１導電型熱電材料（5b）と、
上記第２絶縁性基板（B）の両面に形成され、該第２絶縁性基板（B）の厚さ方向に延びるスルーホール（10）によって互いに接続されると共に、上記第１絶縁性基板（A）側に位置する一方（8b）が上記第１電極（2b）に接続された一対の第３電極（8b,9b）とを備え、
上記第１絶縁性基板（A）は、上記第１導電型熱電材料（5b）の下方の少なくとも一部分に断熱部（18）が形成されている
ことを特徴とする熱電素子。
【請求項２】
互いに積層された第１絶縁性基板（A）および第２絶縁性基板（B）と、
上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に形成された第１電極（2b）と、
上記第１絶縁性基板（A）の両面に上記第１電極（2b）と離隔して形成され、上記第１絶縁性基板（A）の厚さ方向に延びるスルーホール（7）によって互いに接続された一対の第２電極（3c,4c）と、
上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に上記第１電極（2b）と上記第２電極（3c）とに接するように薄膜形成された第１導電型熱電材料（5b）と、
上記第２絶縁性基板（B）の両面に形成され、該第２絶縁性基板（B）の厚さ方向に延びるスルーホール（10）によって互いに接続されると共に、上記第１絶縁性基板（A）側に位置する一方（8b）が上記第１電極（2b）に接続された一対の第３電極（8b,9b）とを備え、
上記第１絶縁性基板（A）および上記第２絶縁性基板（B）の各々は、互いに積層されたベース基板（A1,B1）および断熱基板（A2,B2）で構成されている
ことを特徴とする熱電素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に上記第１電極（2b）および上記第２電極（3c）と離隔して形成された第４電極（2c）と、
上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に上記第２電極（3c）と上記第４電極（2c）とに接するように薄膜形成された第２導電型熱電材料（6c）と、
上記第２絶縁性基板（B）の両面に形成され、該第２絶縁性基板（B）の厚さ方向に延びるスルーホール（10）によって互いに接続されると共に、上記第１絶縁性基板（A）側に位置する一方（8c）が上記第４電極（2c）に接続された一対の第５電極（8c,9c）とを備えている
ことを特徴とする熱電素子。
【請求項４】
請求項１または２において、
上記第１絶縁性基板（A）の両面に上記第１電極（2b）および第２電極（3c,4c）と離隔して形成され、上記該第１絶縁性基板（A）の厚さ方向に延びるスルーホール（7）によって互いに接続された一対の第４電極（3b,4b）と、
上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に上記第１電極（2b）と上記第４電極（3b,4b）とに接するように薄膜形成された第２導電型熱電材料（6b）とを備えている
ことを特徴とする熱電素子。
【請求項５】
請求項１または２において、
上記第１電極（2b）および上記第２電極（3c）の各々と上記第１導電型熱電材料（5b）との接合部の幅は、上記第１導電型熱電材料（5b）の厚みよりも大きい
ことを特徴とする熱電素子。
【請求項６】
請求項１または２において、
上記第１電極（2b）および上記第２絶縁性基板（B）側の上記第２電極（3c）の各々の厚みは、上記第１導電型熱電材料（5b）の厚みよりも大きい
ことを特徴とする熱電素子。
【請求項７】
請求項１または２において、
上記第１導電型熱電材料（5b）は、上記第１電極（2b）および上記第２絶縁性基板（B）側の上記第２電極（3c）の各々と上記第１絶縁性基板（A）との段差部分に形成されている
ことを特徴とする熱電素子。
【請求項８】
請求項１または２において、
上記第１電極（2b）および上記第２絶縁性基板（B）側の上記第２電極（3c）の各々は、上記第１導電型熱電材料（5b）と上記第１絶縁性基板（A）との段差部分を覆うように形成されている
ことを特徴とする熱電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の熱電材料を用いた熱電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、超格子構造などを利用した高性能の熱電材料が開発されているが、一般には基板上に薄膜(10nm〜10μm)でしか作製できないため、一般的に用いられているような熱電モジュールにすることは困難であった。熱電モジュールを作製するには1mm角程度の熱電材料が必要であるためである。
【特許文献１】特開平６−２９５８１号公報
【特許文献２】特開平６−１８８４６４号公報
【特許文献３】特開平１０−１７３１１０号公報
【特許文献４】特開２００２−２５３４２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、薄膜の熱電材料を利用した熱電モジュールも提案されているが、温度差を大きくできない、基板による熱損失が大きく効率が悪い、吸熱量が小さい、使いにくい、作製が困難などの課題があった。また、熱電モジュールに曲げ力が作用することによって熱電材料に引張応力あるいは圧縮応力が作用した場合、熱電材料が薄膜であるため容易に破壊するという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１，第２の発明は、互いに積層された第１絶縁性基板（A）および第２絶縁性基板（B）と、上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に形成された第１電極（2b）と、上記第１絶縁性基板（A）の両面に上記第１電極（2b）と離隔して形成され、上記第１絶縁性基板（A）の厚さ方向に延びるスルーホール（7）によって互いに接続された一対の第２電極（3c,4c）と、上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に上記第１電極（2b）と上記第２電極（3c）とに接するように薄膜形成された第１導電型熱電材料（5b）と、上記第２絶縁性基板（B）の両面に形成され、該第２絶縁性基板（B）の厚さ方向に延びるスルーホール（10）によって互いに接続されると共に、上記第１絶縁性基板（A）側に位置する一方（8b）が上記第１電極（2b）に接続された一対の第３電極（8b,9b）とを備えているものである。
【０００５】
上記の発明では、第１電極（2b）と第２電極（3c）（即ち、第２絶縁性基板（B）側の第２電極（3c））との間に電流を流すと、第１電極（2b）と第１導電型熱電材料（5b）との界面および第２電極（3c）と第１導電型熱電材料（5b）との界面においてペルチェ効果により吸熱および発熱が発生する。つまり、第１導電型熱電材料（5b）の両端には、それに相当した温度差が生じる。その結果、例えば、第１電極（2b）が吸熱側電極となり、第２電極（3c）が放熱側電極となる。そして、第１絶縁性基板（A）において、第２絶縁性基板（B）側の面に形成された第２電極（3c）と、それとは反対の面に形成された第２電極（4c）とがスルーホール（7）によって接続されているため、第２電極（4c）も放熱側電極となる。
【０００６】
一方、第２絶縁性基板（B）の第１絶縁性基板（A）側の面に形成された第３電極（8b）が第１電極（2b）と接続されているため、その第３電極（8b）が吸熱側電極となる。そして、第２絶縁性基板（B）において、第１絶縁性基板（A）側の面に形成された第３電極（8b）と、それとは反対の面に第２絶縁性基板（B）側とは反対の面に形成された第３電極（9b）とがスルーホール（10）によって接続されているため、第３電極（9b）も吸熱側電極となる。
【０００７】
これにより、第１絶縁性基板（A）の一方の面から放熱し、第２絶縁性基板（B）の一方の面から吸熱する形式の熱電モジュールが実現される。つまり、第１絶縁性基板（A）および第２絶縁性基板（B）において、対向する面を除く面において吸熱および放熱が発生する。このように、第１絶縁性基板（A）と第２絶縁性基板（B）との間にのみ熱電材料（5b）を薄膜形成するため、作製が容易である。また、薄膜形成された熱電材料（5b）の面内方向に電流を流して温度差を生じさせるため、低温側から高温側までの距離が大きくなり、温度差が大きくなる。また、第１絶縁性基板（A）と第２絶縁性基板（B）との間に熱電材料（5b）が設けられているため、熱電材料を表面に設ける場合に比べて、熱電素子に曲げ力が作用したときでも熱電材料（5b）に作用する引張応力あるいは圧縮応力が小さくなる。
【０００８】
また、第１の発明は、上記第１絶縁性基板（A）は、上記第１導電型熱電材料（5b）の下方の少なくとも一部分に断熱部（18）が形成されているものである。
【０００９】
上記の発明では、第１絶縁性基板（A）における熱損失が小さくなり、性能が向上する。
【００１０】
第２の発明は、上記第１絶縁性基板（A）および上記第２絶縁性基板（B）の各々が互いに積層されたベース基板（A1,B1）および断熱基板（A2,B2）で構成されているものである。
【００１１】
上記の発明では、絶縁性基板（A,B）が強度の高いベース基板（A1,B1）と断熱性の高い断熱基板（A2,B2）とで積層されているため、断熱性および剛性・強度の双方が向上する。
【００１２】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に上記第１電極（2b）および上記第２電極（3c）と離隔して形成された第４電極（2c）と、上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に上記第２電極（3c）と上記第４電極（2c）とに接するように薄膜形成された第２導電型熱電材料（6c）と、上記第２絶縁性基板（B）の両面に形成され、該第２絶縁性基板（B）の厚さ方向に延びるスルーホール（10）によって互いに接続されると共に、上記第１絶縁性基板（A）側に位置する一方（8c）が上記第４電極（2c）に接続された一対の第５電極（8c,9c）とを備えているものである。
【００１３】
上記の発明では、第１電極（2b）と第４電極（2c）との間に電流を流すことにより、第１電極（2b）と第１導電型熱電材料（5b）との界面、第４電極（2c）と第２導電型熱電材料（6c）との界面、第２電極（3c）と第１導電型熱電材料（5b）との界面および第２電極（3c）と第２導電型熱電材料（6c）との界面において、ペルチェ効果による吸熱および発熱が発生する。つまり、各熱電材料（5b,6c）の両端には、それに相当した温度差が生じる。その結果、例えば、第１電極（2b）および第４電極（2c）が吸熱側電極となり、第２電極（3c）が放熱側電極となる。そして、第１絶縁性基板（A）の第２絶縁性基板（B）側とは反対の面に形成された第２電極（4c）が放熱側電極となり、第２絶縁性基板（B）の第１絶縁性基板（A）側とは反対の面に形成された第３電極（9b）および第５電極（9c）が吸熱側電極となる。これにより、第１絶縁性基板（A）の一方の面から放熱し、第２絶縁性基板（B）の一方の面から吸熱する形式の熱電モジュールが実現される。
【００１４】
第４の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第１絶縁性基板（A）の両面に上記第１電極（2b）および第２電極（3c,4c）と離隔して形成され、上記該第１絶縁性基板（A）の厚さ方向に延びるスルーホール（7）によって互いに接続された一対の第４電極（3b,4b）と、上記第１絶縁性基板（A）の上記第２絶縁性基板（B）側の面に上記第１電極（2b）と上記第４電極（3b,4b）とに接するように薄膜形成された第２導電型熱電材料（6b）とを備えているものである。
【００１５】
上記の発明では、第２電極（3c）（即ち、第２絶縁性基板（B）側の第２電極（3c）、）と第４電極（3b）（即ち、第２絶縁性基板（B）側の第４電極（3b））との間に電流を流すと、第１電極（2b）と第１導電型熱電材料（5b）との界面、第１電極（2b）と第２導電型熱電材料（6b）との界面、第２電極（3c）と第１導電型熱電材料（5b）との界面および第４電極（3b）と第２導電型熱電材料（6b）との界面において、ペルチェ効果による吸熱および発熱が発生する。つまり、各熱電材料（5b,6b）の両端には、それに相当した温度差が生じる。その結果、例えば、第１電極（2b）および第４電極（2c）が吸熱側電極となり、第２電極（3c）が放熱側電極となる。そして、第１絶縁性基板（A）の第２絶縁性基板（B）側とは反対の面に形成された第２電極（4c）および第４電極（4b）が放熱側電極となり、第２絶縁性基板（B）の第１絶縁性基板（A）側とは反対の面に形成された第３電極（9b）が吸熱側電極となる。これにより、第１絶縁性基板（A）の一方の面から放熱し、第２絶縁性基板（B）の一方の面から吸熱する形式の熱電モジュールが実現される。
【００１６】
第５の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第１電極（2b）および上記第２電極（3c）の各々と上記第１導電型熱電材料（5b）との接合部の幅が上記第１導電型熱電材料（5b）の厚みよりも大きいものである。
【００１７】
上記の発明では、接合部の電気抵抗および熱抵抗が小さくなる。これにより、周辺の電流密度および熱密度が小さくなり、損失が低減される。
【００１８】
第６の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第１電極（2b）および上記第２絶縁性基板（B）側の上記第２電極（3c）の各々の厚みが上記第１導電型熱電材料（5b）の厚みよりも大きいものである。
【００１９】
上記の発明では、接合部の電気抵抗および熱抵抗が小さくなる。これにより、周辺の電流密度および熱密度が小さくなり、損失が低減される。
【００２０】
第７の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第１導電型熱電材料（5b）が上記第１電極（2b）および上記第２絶縁性基板（B）側の上記第２電極（3c）の各々と上記第１絶縁性基板（A）との段差部分に形成されているものである。
【００２１】
上記の発明では、第１絶縁性基板（A）と電極（2b,3c）の上面とを同一平面にする必要がなくなり、第１絶縁性基板（A）の作製が容易となる。
【００２２】
第８の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第１電極（2b）および上記第２絶縁性基板（B）側の上記第２電極（3c）の各々が上記第１導電型熱電材料（5b）と上記第１絶縁性基板（A）との段差部分を覆うように形成されているものである。
【００２３】
上記の発明では、第１絶縁性基板（A）と電極（2b,3c）の上面とを同一平面にする必要がなくなり、第１絶縁性基板（A）の作製が容易となる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明によれば、第１絶縁性基板（A）の両面にスルーホール（7）で接続された第２電極（3c,4c）を形成すると共に、第２絶縁性基板（B）の両面にスルーホール（10）で接続された第３電極（8b,9b）を形成し、両絶縁性基板（A,B）の積層間に熱電材料（5b）を薄膜形成するようにした。したがって、一方の面から吸熱し他方の面から放熱する形式の熱電モジュールを実現することができる。これは従来の熱電モジュールと同様の形式であるため使いやすい。また、両絶縁性基板（A,B）の間にのみ熱電材料（5b）を薄膜形成するため、作製が容易となる。さらに、熱電材料（5b）を両絶縁性基板（A,B）の間に設けるため、即ち熱電材料（5b）を両絶縁性基板（A,B）で挟み込む構造としたので、熱電素子に曲げ力が作用した場合でも、熱電材料（5b）に作用する引張応力あるいは圧縮応力を小さくすることができる。これにより、熱電材料（5b）の破損を防止することができるため、信頼性を向上させることができる。また、薄膜形成された熱電材料（5b）の面内方向に電流を流して温度差を生じさせるため、低温側から高温側までの距離を大きくすることができる。これにより、温度差を大きく取ることができ、高性能の熱電モジュールを提供することができる。
【００２５】
また、第１の発明によれば、第１絶縁性基板（A）における熱損失を小さくすることができ、性能を向上させることができる。
【００２６】
また、第２の発明によれば、絶縁性基板（A,B）をベース基板（A1,B1）および断熱基板（A2,B2）の積層構造としたので、断熱性および剛性・強度を両立させることができる。
【００２７】
また、第３の発明によれば、第１絶縁性基板（A）の両面にスルーホール（7）で接続された第２電極（3c,4c）を形成すると共に、第２絶縁性基板（B）の両面にスルーホール（10）で接続された第３電極（8b,9b）および第５電極（8c,9c）を形成し、両絶縁性基板（A,B）の積層間に熱電材料（5b）を薄膜形成するようにした。したがって、一方の面から吸熱し他方の面から放熱する形式の熱電モジュールを実現することができる。また、上述したとおり、作成が容易で、性能および信頼性の高い熱電モジュールを提供することができる。
【００２８】
また、第４の発明によれば、第１絶縁性基板（A）の両面にスルーホール（7）で接続された第２電極（3c,4c）および第４電極（3b,4b）を形成すると共に、第２絶縁性基板（B）の両面にスルーホール（10）で接続された第３電極（8b,9b）を形成し、両絶縁性基板（A,B）の積層間に熱電材料（5b）を薄膜形成するようにした。したがって、一方の面から吸熱し他方の面から放熱する形式の熱電モジュールを実現することができる。また、上述したとおり、作成が容易で、性能および信頼性の高い熱電モジュールを提供することができる。
【００２９】
また、第５および第６の発明によれば、接合部の電気抵抗および熱抵抗が小さくなり、周辺の電流密度および熱密度も小さくなるため、損失が減り性能が向上する。
【００３０】
また、第７および第８の発明によれば、第１絶縁性基板（A）と電極（2b,3c）の上面とを同一平面にする必要がなくなるため、作製が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面において実質的に同一の部分には同じ参照符号を付けてその説明は繰り返さない。また、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００３２】
《発明の前提技術》
本発明の前提技術について、図１から図３を参照しながら説明する。本前提技術の熱電モジュール（1）は、本発明の熱電素子を構成し、第１絶縁性基板（A）および第２絶縁性基板（B）が積層されている。
【００３３】
上記第１絶縁性基板（A）の上面には、吸熱側電極（2a〜2h）、放熱側電極（3a〜3i）、ｐ型熱電材料（5a〜5h）およびｎ型熱電材料（6a〜6h）がそれぞれ細帯状に且つ複数形成されている（図１参照）。これらは放熱側電極（3a）、ｎ型熱電材料（6a）、吸熱側電極（2a）、ｐ型熱電材料（5a）、放熱側電極（3b）、…、ｐ型熱電材料（5h）、放熱側電極（3i）の順に配置されている。両端の放熱側電極（3a,3i）には、電線（16,17）が接続されている。ｐ型熱電材料（5a〜5h）およびｎ型熱電材料（6a〜6h）の各々は、両隣の各電極（2a〜2h,3a〜3i）に接するように蒸着等の方法により薄膜状に形成されている。
【００３４】
上記第１絶縁性基板（A）の下面には、細帯状の複数の放熱側電極（4a〜4i）が形成されている（図２参照）。第１絶縁性基板（A）の上面に形成された放熱側電極（3a〜3i）の各々は、スルーホール（7）によって、第１絶縁性基板（A）下面の対応する放熱側電極（4a〜4i）に接続されている。スルーホール（7）は例えば基板（A）に穴あきで形成しておきペーストで埋める等により形成される。
【００３５】
なお、上記吸熱側電極（2a〜2h）は、本発明に係る第１電極および第４電極を構成している。放熱側電極（3a〜3i）および放熱側電極（4a〜4i）は、本発明に係る第２電極および第４電極を構成している。ｐ型熱電材料（5a〜5h）およびｎ型熱電材料（6a〜6h）は、それぞれ本発明に係る第１導電型熱電材料および第２導電型熱電材料を構成している。
【００３６】
一方、上記第２絶縁性基板（B）の下面には、細帯状の複数の吸熱側電極（8a〜8i）が形成され、上面には、細帯状の複数の吸熱側電極（9a〜9i）が形成されている（図２や図３参照）。第２絶縁性基板（B）の上面に形成された吸熱側電極（9a〜9i）の各々は、スルーホール（10）によって、第２絶縁性基板（B）の下面の対応する吸熱側電極（8a〜8i）に接続されている。スルーホール（10）は例えば基板（B）に穴あきで形成しておきペーストで埋める等により形成される。そして、第２絶縁性基板（B）の下面に形成された吸熱側電極（8a〜8i）は、第１絶縁性基板（A）の上面に形成された吸熱側電極（2a〜2h）に接合層（12）を介して接続されている。接合層（12）は、伝熱性が必要であり、はんだなどの導電性材料の他に、導電性を有しない熱伝導性の接着剤などであってもよい。導電性を有しない材料の場合、基板（B）の各吸熱側電極（8a〜8i,9a〜9i）およびスルーホール（10）には電流は流れず、熱のみが流れることになる。なお、上記吸熱側電極（8a〜8i）および吸熱側電極（9a〜9i）は、それぞれ本発明に係る第３電極および第５電極を構成している。
【００３７】
上記両基板（A,B）については絶縁性で且つ断熱性の高いものが望ましい。これは放熱側（高温側）から吸熱側（低温側）への熱漏れを防ぐためである。基板（A）の材料としては、ガラス、樹脂および発泡樹脂などが考えられる。
【００３８】
上記各電極（2a〜2h,3a〜3i,4a〜4i,8a〜8i,9a〜9i）は、電気抵抗が小さく熱伝導率が高い材料（例えば、銅やアルミなど）で形成されることが望ましい。また、各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）との接合を良好にしたり、耐久性を上げるために、各電極（2a〜2h,3a〜3i,4a〜4i,8a〜8i,9a〜9i）にはニッケルや金などのメッキを施すことが望ましい。
【００３９】
また、図３に示すように、上記第１絶縁性基板（A）の下面には、絶縁層（11）を介して放熱側伝熱板（13）が設けられている。第２絶縁性基板（B）の上面には、絶縁層（11）を介して吸熱側伝熱板（14）が設けられている。これは熱を均一化し、モジュールの上面から下面に熱を流すためであり、これにより通常の熱電モジュールと同様の使い方ができ使いやすくなる。また、第２絶縁性基板（B）の下面には、各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）および各放熱側電極（3a〜3i）との間の熱伝導を避けるために溝状の空間（15）が形成されている。
【００４０】
本前提技術の熱電モジュール（1）では、放熱側電極（3a,3i）間に電線（16,17）によって電流を流すことにより（図１参照）、各吸熱側電極（2a〜2h）と各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）との界面において吸熱が発生し、各放熱側電極（3a〜3i）と各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）との界面において放熱が発生する。その結果、各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）の両端には、それに相当した温度差が生じる。本前提技術の熱電モジュール（1）は、第１絶縁性基板（A）の上面に形成された放熱側電極（3a〜3i）と下面に形成された放熱側電極（4a〜4i）とがスルーホール（7）によって接続されているため、下面の放熱側電極（3a〜3i）および放熱側伝熱板（13）から放熱する。また、熱電モジュール（1）では、第２絶縁性基板（B）の下面の吸熱側電極（8a〜8i）が上面の吸熱側電極（9a〜9i）とスルーホール（10）によって接続され且つ第１絶縁性基板（A）上面の吸熱側電極（2a〜2h）と接合層（12）を介して接続されているため、第２絶縁性基板（B）上面の吸熱側電極（9a〜9i）および吸熱側伝熱板（14）から吸熱する。これは従来の熱電モジュール（1）と同様の形式であるため使いやすい。
【００４１】
−前提技術の効果−
上記前提技術によれば、熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）を第１絶縁性基板（A）と第２絶縁性基板（B）の間にのみ、即ち第１絶縁性基板（A）の上面にのみ形成したので、製造工程において基板（A,B）を裏返す等の必要はなく作製が容易となる。
【００４２】
また、第１絶縁性基板（A）と第２絶縁性基板（B）との間に熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）を設けるようにしたので、即ち熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）を両基板（A,B）で挟み込むようにしたので、熱電材料を熱電モジュールの端面に設けた場合に比べて、表面に熱電モジュール（1）に対して曲げ力が作用したときでも、熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）に作用する曲げ応力を低減することができる。したがって、熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）を破壊を防止することができ、信頼性の高い熱電モジュール（1）を提供することができる。
【００４３】
また、熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）を両基板（A,B）の間に設けることにより、熱電モジュール（1）の上下面において、高温部と低温部とが混在した状態を回避することができる。これにより、扱いやすい熱電モジュール（1）を提供することができる。
【００４４】
また、薄膜形成された熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）の面内方向に電流を流して温度差を生じさせるため、低温側から高温側までの距離を大きくすることができ、温度差を大きく取ることができる。具体的に、各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）の厚みをｔ、幅をＷ（図１参照）、長さをＬ（図３参照）、各電極（2a〜2h,3a〜3i）との接合部長さをＬｃ（図３参照）として説明すると、電流は薄膜の面内方向に流れるため、温度差も面内方向に付くことになり、薄膜であってもＬを大きく取れるため、温度差を大きく取ることができる。また、ｔに比べＷを極端に大きく（例えば、1000倍程度）、Ｌをｔの例えば10倍程度とすることにより、素子の形状因子（Ｌ/ｔＷ）を通常のペルチェモジュールと同等にすることができる。したがって、通常のペルチェモジュールと同様の特性（抵抗、吸熱量、効率など）を得ることができる。さらに、ｔを10μm程度の薄膜とし、ｔに比べＷを極端に大きく（例えば、1000倍程度）、Ｌをｔの例えば10倍程度とすることにより、熱電材料の体積（ＬｔＷ）を通常のペルチェモジュールに使用される熱電材料の体積の1/100程度に減らすことができる。これにより、省資源によるコストダウン、環境適合性が大幅に向上する。
【００４５】
なお、各電極（2a〜2h,3a〜3i）と各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）との接合面は、接合部の電気抵抗および熱抵抗を小さくし、且つ、周辺の電流密度および熱密度を小さくして損失を小さくするために、大きく取ることが望ましい（具体的には、Ｌｃ＞ｔ）。ただし、大きすぎると材料の無駄となるため最適値が存在する。また、同様の理由により、各電極（2a〜2h,3a〜3i）の厚みは各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）の厚みよりも大きくすることが望ましい。
【００４６】
《実施形態１》
本発明の実施形態１について、図４を参照しながら説明する。本実施形態２１の熱電モジュール（1）は、上記前提技術の変形例である。
【００４７】
この熱電モジュール（1）は、各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）の下面の基板（A）部分の一部にスリット状の断熱部（18）が形成されている。これにより、熱漏れを防ぎ性能を向上させることができる。断熱部（18）の形成手法としては、基板（A）のその部分(15)だけ材料を取り除くかポーラス状にする。例えば、基板（A）のその部分（18）だけ別の材料（低融点）で作っておき、熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）を蒸着した後にその部分（18）を熱処理で溶かすなどの方法がある。
【００４８】
《実施形態２》
本発明の実施形態２について、図５を参照しながら説明する。本実施形態３２の熱電モジュール（1）は、上記前提技術の変形例である。
【００４９】
この熱電モジュール（1）は、基板（A）上面に形成される各吸熱側電極（2a〜2h）の表面積を各放熱側電極（3a〜3i）の表面積よりも大きくしている。これにより、第１絶縁性基板（A）の上面における吸熱面積、引いては第２絶縁性基板（B）の上下面における吸熱面積を大きくすることができる。これにより、吸熱側の熱抵抗を下げて性能を上げることができる。また、第１絶縁性基板（A）の下面に形成される各放熱側電極（4a〜4i）の表面積を大きくすることにより、同様に放熱側の熱抵抗を下げることができる。
【００５０】
《実施形態３》
本発明の実施形態３について、図６を参照しながら説明する。本実施形態３の熱電モジュール（1）は、上記前提技術の変形例である。
【００５１】
この熱電モジュール（1）は、各電極（2a〜2h,3a〜3i）の間に（第１絶縁性基板（A）と各電極（2a〜2h,3a〜3i）との段差部分に）熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）が形成されている。これにより、第１絶縁性基板（A）と電極（2a〜2h,3a〜3i）の上面とを同一平面にする必要がなくなるため、基板（A）の作製が容易となる（基板（A）の上に銅箔がメッキされており、通常のプリント基板と同様の方法で作成可能となる）。
【００５２】
《実施形態４》
本発明の実施形態４について、図７を参照しながら説明する。本実施形態４の熱電モジュール（1）は、上記前提技術の変形例である。
【００５３】
この熱電モジュール（1）は、各電極（2a〜2h,3a〜3i）を各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）の上に（基板（A）と各熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）との段差部分を覆うように）形成している。これにより、第１絶縁性基板（A）と電極（2a〜2h,3a〜3i）を同一平面にする必要がなくなるため、基板（A）の作製が容易となる。このような熱電モジュール（1）の作製法としては、まず基板（A）に放熱側電極(3a〜3i,9a〜9i)のスルーホール（7）のみを形成し、基板（A）表面に熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）を蒸着した後、放熱側電極（3a〜3i）と吸熱側電極（2a〜2h）を蒸着などで形成する。
【００５４】
《実施形態５》
本発明の実施形態５について、図８を参照しながら説明する。本実施形態５の熱電モジュール（1）は、上記前提技術の変形例である。
【００５５】
この熱電モジュール（1）は、各基板（A,B）をベース基板（A1,B1）および断熱基板（A2,B2）の積層基板としている。つまり、第１絶縁性基板（A）においては、上面を断熱基板（A2）とし、下面をベース基板（A1）としている。第２絶縁性基板（B）においては、上面をベース基板（B1）とし、下面を断熱基板（B2）としている。この理由を以下に述べる。
【００５６】
熱電モジュール（1）に用いる基板はできるだけ断熱性能の良い（熱伝導率が小さい）ものが望ましい。熱伝導率を小さくする有効な方法として基板をポーラス状（発泡体）にすることが考えられる。しかしながら、熱伝導率をできるだけ小さくするためには空孔部分の体積を大きくする（発泡率を大きくする）必要があり、これにより基板としての剛性や強度が低下してしまい、取り扱いが難しくなったり、モジュールとしての必要な強度が得られなくなる。逆に、剛性や強度を高くすると、十分な断熱性が得られず、モジュールの性能が低下してしまう。
【００５７】
本実施形態では、強度が高いベース基板（A1,B1）に、断熱性の高い断熱基板（A2,B2）を積層しているため、断熱性と剛性・強度とを両立することができ、性能が高く強度も高いモジュールを作製することができる。熱電材料（5a〜5h,6a〜6h）側に断熱基板（A2,B2）を配置する理由は、この部分で温度差が付く（各放熱側電極（3a〜3i）と各吸熱側電極（2a〜2h,8a〜8i）との間に温度差ができるため、基板の断熱性が悪いと各放熱側電極（3a〜3i）から各吸熱側電極（2a〜2h,8a〜8i）に熱が逆流し性能が低下する）ため、この部分をできるだけ断熱する必要があるためである。逆にベース基板（A1,B1）側は吸熱側電極（2a〜2h,8a〜8i）との間に断熱基板（A2,B2）を介しているため熱の逆流は少なく、また、スルーホール（7,10）が存在するがこの部分は同じ温度なので熱の移動はなく、断熱性が小さくても性能低下は小さい。
【００５８】
《その他の実施形態》
本発明の熱電モジュール（1）では吸熱側を上面（第２絶縁性基板（B）の上面）に、放熱側を下面（第１絶縁性基板（A）の下面）としたが、これに限定されない。放熱側を上面に吸熱側を下面でも良い。
【００５９】
本発明の熱電モジュール（1）ではペルチェ効果を利用した冷却モジュールについて記述されているが、これに限定されない。同じ構造で、電源の代わりに負荷を接続し、吸熱側に外部より熱入力を与え、放熱側より放熱する（吸熱側の温度が放熱側よりも高くなる）ことにより、ゼーベック効果を利用した発電モジュールとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上説明したように、本発明は、素子に電流を流すことによるペルチェ効果を利用して接合部を冷却あるいは発熱させる熱電素子について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】前提技術に係る熱電モジュールの絶縁性基板間における横断面図である。
【図２】前提技術に係る熱電モジュールを示す平面図である。
【図３】前提技術に係る熱電モジュールを示す縦断面図である。
【図４】実施形態１に係る熱電モジュールを示す縦断面図である。
【図５】実施形態２に係る熱電モジュールを示す縦断面図である。
【図６】実施形態３に係る熱電モジュールを示す縦断面図である。
【図７】実施形態４に係る熱電モジュールを示す縦断面図である。
【図８】実施形態５に係る熱電モジュールを示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
1         熱電モジュール（熱電素子）
A         第１絶縁性基板
B         第２絶縁性基板
A1,B1     ベース基板
A2,B2     断熱基板
2a〜2h    吸熱側電極
3a〜3i    放熱側電極
4a〜4i    放熱側電極
5a〜5h    ｐ型熱電材料（第１導電型熱電材料）
6a〜6h    ｎ型熱電材料（第２導電型熱電材料）
7,10      スルーホール
8a〜8i    吸熱側電極
9a〜9i    吸熱側電極
18        断熱部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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